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Stabilization of the blood-brain barrier during and after stroke can lead to less adverse outcome. For elucidation of underlying mechanisms and development of novel therapeutic strategies validated in vitro disease models of the blood-brain barrier could be very helpful. To mimic in vitro stroke conditions we have established a blood-brain barrier in vitro model based on mouse cell line cerebEND and applied oxygen/glucose deprivation (OGD). The role of astrocytes in this disease model was investigated by using cell line C6. Transwell studies pointed out that addition of astrocytes during OGD increased the barrier damage significantly in comparison to the endothelial monoculture shown by changes of transendothelial electrical resistance as well as fluorescein permeability data. Analysis on mRNA and protein levels by qPCR, western blotting and immunofluorescence microscopy of tight junction molecules claudin-3,-5,-12, occludin and ZO-1 revealed that their regulation and localisation is associated with the functional barrier breakdown. Furthermore, soluble factors of astrocytes, OGD and their combination were able to induce changes of functionality and expression of ABC-transporters Abcb1a (P-gp), Abcg2 (bcrp), and Abcc4 (mrp4). Moreover, the expression of proteases (matrixmetalloproteinases MMP-2, MMP-3, MMP-9, and t-PA) as well as of their endogenous inhibitors (TIMP-1, TIMP-3, PAI-1) was altered by astrocyte factors and OGD which resulted in significant changes of total MMP and t-PA activity. Morphological rearrangements induced by OGD and treatment with astrocyte factors were confirmed at a nanometer scale using atomic force microscopy. In conclusion, astrocytes play a major role in blood-brain barrier breakdown during OGD in vitro.
The blood-brain barrier (BBB), made up of endothelial cells of capillaries in the brain, maintains the microenvironment of the central nervous system. During ischemia and traumatic brain injury (TBI), cellular disruption leading to mechanical insult results to the BBB being compromised. Oxygen glucose deprivation (OGD) is the most commonly used in vitro model for ischemia. On the other hand, stretch injury is currently being used to model TBI in vitro. In this paper, the two methods are used alone or in combination, to assess their effects on cerebrovascular endothelial cells cEND in the presence or absence of astrocytic factors. Applying severe stretch and/or OGD to cEND cells in our experiments resulted to cell swelling and distortion. Damage to the cells induced release of lactate dehydrogenase enzyme (LDH) and nitric oxide (NO) into the cell culture medium. In addition, mRNA expression of inflammatory markers interleukin (I L)-6, IL-1\(\alpha\) chemokine (C-C motif) ligand 2 (CCL2) and tumor necrosis factor (TNF)-\(\alpha\) also increased. These events could lead to the opening of calcium ion channels resulting to excitotoxicity. This could be demonstrated by increased calcium level in OGD-subjected cEND cells incubated with astrocyte-conditioned medium. Furthermore, reduction of cell membrane integrity decreased tight junction proteins claudin-5 and occludin expression. In addition, permeability of the endothelial cell monolayer increased. Also, since cell damage requires an increased uptake of glucose, expression of glucose transporter glut1 was found to increase at the mRNA level after OGD. Overall, the effects of OGD on cEND cells appear to be more prominent than that of stretch with regards to TJ proteins, NO, glutl expression, and calcium level. Astrocytes potentiate these effects on calcium level in cEND cells. Combining both methods to model TBI in vitro shows a promising improvement to currently available models.
Traumatic brain injury (TBI) is a major cause of mortality and morbidity worldwide. Despite improvements in acute intensive care, there are currently no specific therapies to ameliorate the effects of TBI. Successful therapeutic strategies for TBI should target multiple pathophysiologic mechanisms that occur at different stages of brain injury. The kallikrein-kinin system is a promising therapeutic target for TBI as it mediates key pathologic events of traumatic brain damage, such as edema formation, inflammation, and thrombosis. Selective and specific kinin receptor antagonists and inhibitors of plasma kallikrein and coagulation factor XII have been developed, and have already shown therapeutic efficacy in animal models of stroke and TBI. However, conflicting preclinical evaluation, as well as limited and inconclusive data from clinical trials in TBI, suggests that caution should be taken before transferring observations made in animals to humans. This review summarizes current evidence on the pathologic significance of the kallikrein-kinin system during TBI in animal models and, where available, the experimental findings are compared with human data.
The blood-brain barrier (BBB) is a highly specialized structure that separates the brain from the blood and allows the exchange of molecules between these two compartments through selective channels. The breakdown of the BBB is implicated in the development of severe neurological diseases, especially stroke and traumatic brain injury. Oxygen-glucose deprivation is used to mimic stroke and traumatic brain injury in vitro. Pathways that trigger BBB dysfunction include an imbalance of oxidative stress, excitotoxicity, iron metabolism, cytokine release, cell injury, and cell death. MicroRNAs are small non-coding RNA molecules that regulate gene expression and are emerging as biomarkers for the diagnosis of central nervous system (CNS) injuries. In this review, the regulatory role of potential microRNA biomarkers and related therapeutic targets on the BBB is discussed. A thorough understanding of the potential role of various cellular and linker proteins, among others, in the BBB will open further therapeutic options for the treatment of neurological diseases.
Decreased levels of Nogo-A-dependent signaling have been shown to affect behavior and cognitive functions. In Nogo-A knockout and knockdown laboratory rodents, behavioral alterations were observed, possibly corresponding with human neuropsychiatric diseases of neurodevelopmental origin, particularly schizophrenia. This study offers further insight into behavioral manifestations of Nogo-A knockdown in laboratory rats, focusing on spatial and non-spatial cognition, anxiety levels, circadian rhythmicity, and activity patterns. Demonstrated is an impairment of cognitive functions and behavioral flexibility in a spatial active avoidance task, while non-spatial memory in a step-through avoidance task was spared. No signs of anhedonia, typical for schizophrenic patients, were observed in the animals. Some measures indicated lower anxiety levels in the Nogo-A-deficient group. Circadian rhythmicity in locomotor activity was preserved in the Nogo-A knockout rats and their circadian period (tau) did not differ from controls. However, daily activity patterns were slightly altered in the knockdown animals. We conclude that a reduction of Nogo-A levels induces changes in CNS development, manifested as subtle alterations in cognitive functions, emotionality, and activity patterns.
Neuroprotection aims to prevent salvageable neurons from dying. Despite showing efficacy in experimental stroke studies, the concept of neuroprotection has failed in clinical trials. Reasons for the translational difficulties include a lack of methodological agreement between preclinical and clinical studies and the heterogeneity of stroke in humans compared to homogeneous strokes in animal models. Even when the international recommendations for preclinical stroke research, the Stroke Academic Industry Roundtable (STAIR) criteria, were followed, we have still seen limited success in the clinic, examples being NXY-059 and haematopoietic growth factors which fulfilled nearly all the STAIR criteria. However, there are a number of neuroprotective treatments under investigation in clinical trials such as hypothermia and ebselen. Moreover, promising neuroprotective treatments based on a deeper understanding of the complex pathophysiology of ischemic stroke such as inhibitors of NADPH oxidases and PSD-95 are currently evaluated in preclinical studies. Further concepts to improve translation include the investigation of neuroprotectants in multicenter preclinical Phase III-type studies, improved animal models, and close alignment between clinical trial and preclinical methodologies. Future successful translation will require both new concepts for preclinical testing and innovative approaches based on mechanistic insights into the ischemic cascade.
Traumatic brain injury (TBI) is the leading cause of death and disability in polytrauma and is often accompanied by concomitant injuries. We conducted a retrospective matched-pair analysis of data from a 10-year period from the multicenter database TraumaRegister DGU\(^®\) to analyze the impact of a concomitant femoral fracture on the outcome of TBI patients. A total of 4508 patients with moderate to critical TBI were included and matched by severity of TBI, American Society of Anesthesiologists (ASA) risk classification, initial Glasgow Coma Scale (GCS), age, and sex. Patients who suffered combined TBI and femoral fracture showed increased mortality and worse outcome at the time of discharge, a higher chance of multi-organ failure, and a rate of neurosurgical intervention. Especially those with moderate TBI showed enhanced in-hospital mortality when presenting with a concomitant femoral fracture (p = 0.037). The choice of fracture treatment (damage control orthopedics vs. early total care) did not impact mortality. In summary, patients with combined TBI and femoral fracture have higher mortality, more in-hospital complications, an increased need for neurosurgical intervention, and inferior outcome compared to patients with TBI solely. More investigations are needed to decipher the pathophysiological consequences of a long-bone fracture on the outcome after TBI.
Glukosetransporter spielen eine wichtige Rolle in der Versorgung des Gehirns mit Nährstoffen und somit für den Erhalt der physiologischen Zellintegrität. Glukose wird über die Blut-Hirn-Schranke (BHS) mittels spezifischen transmembranen Transportproteinen der SLC-Genfamilie (GLUT, SGLT) befördert. Dabei scheint während physiologischen Bedingungen hauptsächlich der Glukosetransporter GLUT1 (SLC2A1) für die Energieversorgung des Gehirns zuständig zu sein.
Die Erforschung der SGLT-Expression ist in den letzten Jahren ein wichtiger Ansatzpunkt für neue Behandlungsstrategien vieler Erkrankungen, wie Diabetes Mellitus, maligne Neoplasien oder eines Herzinfarkts, geworden. Jedoch ist über deren Expression und Funktion im menschlichen Gehirn nur wenig bekannt. Besonders die Lokalisation entlang der BHS bleibt fraglich. Ein Großteil bisheriger Forschungsarbeiten beschäftigt sich hauptsächlich mit der Expressionsanalyse des Transporters SGLT1 im tierischen Gehirn in vivo (Poppe et al. 1997; Balen et al. 2008; Yu et al. 2013). Es konnte aufgezeigt werden, dass SGLT1 mRNA exklusiv in Neuronen und nicht an der BHS exprimiert wird. Dies wird durch in vitro Analysen einer humanen Hirnendothelzelllinie bestätigt. Demnach kann kein SGLT1 unter physiologischen Bedingungen nachgewiesen werden (Sajja et al. 2014). Im menschlichen Hirngewebe besitzen SGLTs somit keine zentrale Funktion für den Glukosetransport an der BHS. Im Gegensatz dazu konnte eine Expression von SGLT sowohl in vivo als auch in vitro während hypoglykämischen Bedingungen belegt werden (Vemula et al. 2009; Sajja et al. 2014). Die Expression der SGLT-Transporter während einer ischämischen Hypoglykämie führt zu der Annahme, dass diese Transporter für die Aufrechterhaltung der Energieversorgung des geschädigten Hirngewebes notwendig sind. Um die physiologischen Mechanismen nach einem Glukosemangel zu untersuchen, wurden SHT-Modelle etabliert (Salvador et al. 2013). In einem experimentellen Modell des Schädel-Hirn-Traumas im Rahmen eines DFG-gefördertes Projekts ist ein Expressionsverlauf von Glukosetransportern im Maushirn und in Hirnendothelzellen erarbeitet worden (Wais 2012; Salvador et al. 2015). Somit könnten SGLTs als Ansatzpunkt für den Nachweis der Überlebenszeit nach einem SHT fungieren.
Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf die Expression der Natrium-abhängigen Glukosetransporter SGLT1 und SGLT2 im menschlichen Gehirn. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf der Lokalisation dieser Transporter an der menschlichen BHS von post mortalem Hirngewebe. Weiterhin wird untersucht ob die Expressionsstärke von SGLT1 und SGLT2 eine Aussage über die Überlebenszeit von Verstorbenen nach einer traumatisch bedingten Hirnveränderung zulässt.
Die Lokalisation von SGLT1 und SGLT2 an der menschlichen BHS konnte durch die Etablierung eines Protokolls zur Isolation von Hirnkapillaren erfolgen. Vorab wurden alle verwendeten Antikörper auf ihre Spezifität mittels siRNA Transfektion und Blockierung der Immunfluoreszenzsignale mittels immunisierten Peptids getestet. Somit ist die Spezifität der detektierten SGLT1- und SGLT2-Expression in menschlichen Hirnkapillaren gewährleistet. Anschließend wird untersucht, in welchen zeitlichem Verlauf nach einer traumatisch bedingten Hirnveränderung die verschiedenen Formen der Glukosetransporter exprimiert werden und ob ggf. der Umfang und die Verteilung von SGLT1, SGLT2 und GLUT1 sowie das Verhältnis zueinander Auskünfte über eine vitale bzw. postmortale Entstehung eines Traumas bzw. dessen Überlebenszeit zulässt. Hierfür wird ein Expressionsschema der Glukosetransporter generiert, abhängig von Todeszeitpunkt und Todesursache. Es konnte festgestellt werden, dass GLUT1 nicht als Target für die Ermittlung der Überlebenszeit nach einem Trauma geeignet ist. Dahingegen zeigen SGLT1 und SGLT2 eine signifikante Änderung der Expressionsstärke im contusionalen Gewebe in Abhängigkeit von der Überlebenszeit. Obwohl diese vorläufigen Daten einen neuen Ansatzpunkt für die forensische Fragestellung aufzeigen, müssen weitere Experimente mit einem erhöhten Umfang der Probenanzahl und kürzere Zeitspannen der Überlebenszeiträume durchgeführt werden.
Laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) waren in Deutschland 2006 akute ischämische Ereignisse des Zentralen Nervensystems (ZNS) die fünfthäufigste Todesursache. Zu diesen ischämischen Ereignissen zählen Schlaganfall, Kardiopulmonale Reanimation, traumatische Hirnverletzungen, sowie perioperative ischämische Komplikationen. Aufgrund der schwerwiegenden Folgen, die ein Verlust von Nervenzellen für den Patienten bedeutet, muss die weitere medizinische Akutversorgung den sekundären neuronalen Schaden verhindern oder ihn reduzieren. Vor dieser Arbeit konnten Glukosetransporter-1 (GLUT-1) und Natrium-Glukose-Kotransporter-1 (SGLT1) an der Blut-Hirn-Schranke (BHS) identifiziert werden. Ziel dieser Arbeit war es, das Expressionsverhalten der Glukosetransporter nach einem Schädel-Hirn-Trauma (SHT) in vivo und in vitro zu untersuchen, um so den Einfluss und die funktionellen Folgen durch die veränderte Expression der zerebralen Glukosetransporter in der BHS infolge eines SHT zu identifizieren und deren eventuellen Einfluss auf die Entwicklung eines sekundären Hirnödems zu erkennen. Hierfür wurde als in vivo-Modell das Controlled Cortical Impact Injury (CCII) gewählt, da bei diesem Tierversuchsmodell die Aspekte der traumatischen Kontusion und die damit verbundenen intraparenchymalen Blutungen durch ein epidurales oder subdurales Hämatom im Vordergrund stehen. Es wurden Gehirnschnitte zu fest definierten Zeitpunkten angefertigt (kein CCII (Kontrolle), 15 Minuten Überleben nach CCII (Primärschaden), 24 Stunden Überleben nach CCII und 72 Stunden Überleben nach CCII). Die Darstellung des primären Schadens im Mäusehirn erfolgte durch die Immunfluoreszenzmikroskopie. Um einen Gewebeschaden, wie es bei einem Hirntrauma der Fall ist, in vitro zu simulieren, wurde das Modell des Sauerstoff-Glukose-Entzuges (OGD) gewählt, da es bei diesem Modell neben einer Nekrose auch zur Apoptose der Nervenzellen kommt, welche ebenfalls bei einem SHT stattfindet. Als geeignetes Zellkulturmodell wurde die cerebralen Endothelzelllinie (cEND) gewählt. Bei dieser Zelllinie handelte es sich um eine Hirnendothelzelllinie aus der Maus. In den in vivo-Versuchen konnte bei GLUT-1 bereits 15 Minuten nach CCII eine gesteigerte Expression festgestellt werden. Dennoch verminderte GLUT-1 im weiteren Verlauf seine Expression auf ein Minimum, welches unterhalb des Ausgangswertes lag. SGLT1, der auch in der BHS identifiziert wurde, reagierte auf einen Primärschaden erst in den Hirnschnitten, die 24 Stunden nach CCI behandelt wurden. In den Hirnschnitten, die 15 Minuten nach CCII behandelt wurden, veränderte sich die SGLT1-Expression zunächst nicht. Erst 24 Stunden nach CCII konnte eine gesteigerte Expression von SGLT1 erkannt werden, die aber bei 72 Stunden nach CCII wieder abgenommen hatte. Ein weiterer Glukosetransporter konnte erstmals in der BHS identifiziert werden. SGLT2 zeigte erst 72 Stunden nach CCII eine gesteigerte Expression, in den Hirnschnitten ohne CCII, 15 Minuten nach CCII und 24 Stunden nach CCII konnte keine Veränderung der SGLT2-Expression festgestellt werden. Diese Expressionsreaktion, besonders der Expressions-Höhepunkt der einzelnen Glukosetransporter, konnte auch in vitro gezeigt werden. Besonders die Identifizierung von SGLT2 in der BHS und die generelle Steigerung der Expressionsrate von GLUT-1, SGLT1 und SGLT2 könnte neue Ansatzpunkte in der Pathophysiologie des diffusen Hirnödems nach einem SHT ergeben. Die genaue Rolle der Natriumgekoppelten Glukosetransporter in der BHS muss noch weiter erforscht werden. Bestätigen weitere Versuche eine zentrale Rolle der SGLTs bei der Entstehung des sekundären Hirnschadens, speziell SGLT2, als hochpotenter Glukosetransporter, so könnte über neue Therapien nachgedacht werden, durch welche spezifisch die Expression der SGLTs, besonders SGLT2, wie es bei Dapagliflozin, Canagliflozin oder Ipragliflozin der Fall wäre, unterdrücken würden.